-
Darlegung der
Bedarfssituation und der Dringlichkeit für die Erfindung
-
Die Erfindung betrifft die Reinigung
von Abgasen aus Brennkraftmaschinen und offenbart ein dafür bestens
geeignetes Reinigungsaggregat. Die Erfindung ist nicht auf die Reinigung
von Abgasen bei Dieselmotoren beschränkt, sie erstreckt sich vielmehr
auf die Abgasreinigung von Brennkraftmaschinen aller Art.
-
Neuere bereits ergangene oder in
Zukunft noch zu erwartende gesetzliche Bestimmungen verlangen besondere
Maßnahmen
für die
Reinigung der von Brennkraftmaschinen ausgestaßenen Abgase, um den verschärften Anforderungen
an die Umweltverträglichkeit
der Abgase gerecht zu werden.
-
Aktuell sind Rußfilter für Dieselmotoren in den Schlagzeilen
ganz nach oben gerückt.
Insbesondere Umweltverbände
fordern den generellen Einbau von Rußfiltern in Dieselfahrzeuge.
Folgt man Ihren Forderungen, erhält
man den Eindruck, mit dem Einbau von Rußfiltern heutiger Technik sei
das Problem der Umweltbeeinflussung durch den Autoverkehr gelöst. Die
Wirklichkeit sieht allerdings anders aus, denn mit der derzeit zur
Verfügung
stehenden Technik ist die Abgasfilterung noch keinesfalls zufriedenstellend
gelöst
Rußfilter
heutiger Technik führen
zu einem nicht unerheblichen Mehrverbrauch an Kraftstoff; außerdem ist
durch die Abgasnachbehandlung neben der vollständigen Verbrennung auch die
Entstickung der Abgase zu leisten.
-
Durch den Druck der Öffentlichkeit
sind die deutschen Automobilbauer dazu übergegangen, bereits jetzt
Rußfilter
in den Abgastrakt der Brennkraftmaschinen einzubauen. Hierzu steht
aber derzeit nur das seit drei Jahren in französischen Pkw angebotene, zu
Kraftstoff-Mehrverbrauch führende
Rußfilter-Prinzip
als erprobt zur Verfügung.
Innovative Konzepte, die die Abgasreinigung ohne Mehrverbrauch an
Kraftstoff ermöglichen,
brauchen nach Meinung der Fachleute noch mindestens ein bis zwei
Jahre bis zur Serienreife. Demgegenüber drängt die heutige Nachfragesituation.
-
Stand der Technik
-
Um die Russfiltertechnik entscheidend
vorwärts
zu bringen, muss aus physikalischen Gründen zunächst von den derzeit allgemein
verwendeten keramischen Wabenzellenmonolithen auf dünne Filtermembranen übergegangen
werden. Neuerdings am Markt auch schon angeboten werden hier so
genannte Sintermetallfilter mit vielfach gefalteten, unter 1 mm
dicken Filtermembranen aus gesintertem Metallpulver, die als nahezu
hundertprozentiger Oberflächenfilter
wirken. Diese Filter sind zwar robuster als die keramischen Wabenzellenmonolithen,
bringen aber immer noch sehr viel Gegendruck in der Abgasführung. Naturgemäß haben
Filter aus gesintertem Pulver mit unter 50 % Porosität sehr wenig
fluiddynamisch wirksame freie Querschnitte, sodass eine äußerst große Membranfilterfläche nötig ist,
um den Gegendruck der keramischen Monolithe zu unterschreiten. Dadurch
wird aber das Filteraggregat sehr schwer und verbraucht einen großen Bauraum
im Fahrzeug nur für
die Russfilterfunktion allein. Auch die energetisch für die naturgemäß hochtemperaturbedürftige Regeneration
höchst
wünschenswerte motornahe
Positionierung ist auf Grund der Größe nicht möglich. So wird neben dem deutlichen Energiemehrverbrauch
für den
Gegendruck auch noch recht viel Energie für die Regeneration des Russfilters
gebraucht.
-
Im Vergleich mit diesen aus gesintertem
Pulver gebildeten Filtermembranen entsteht in Feinfaserfiltermembranen
bei gleicher Filterfeinheit ein um etwa Faktor 10 niedrigerer Gegendruck
bei der Durchströmung,
wie aus der Literatur bekannt ist. Darüber hinaus wirken diese Feinfaserfiltermembranen
als ideale Tiefenfilter und besitzen eine sehr große Partikelspeicherfähigkeit.
Hierzu wird eine Porosität
von über
70 % für
die Membran gewählt.
Verwendet werden hierzu heute gesinterte Metallfasern, die eine
entsprechende Hochtemperatur- und Korrosionsfestigkeit sowie eine
ausreichende mechanische Stabilität im Membranverbund besitzen.
-
Darauf beruhende technische Lösungen sind an
weltweit drei Stellen entwickelt, bekannt gemacht und erprobt worden.
Die dazugehörigen
Patente bzw. Patentanmeldungen, die für die hier angemeldete Endung
relevant sind, sind das Patent
DE 195 24 399 C2 bzw. das dem entsprechende
EP-Patent
EP 0 836 672
B1 bzw. das dem entsprechende US-Patent
US 005 873 918 , angemeldet bereits
1995. Eine interessante Weiterentwicklung zu dieser weltweit bereits patentgeschützten Lösung zeigt
die Patentanmeldung
EP
1 270 886 A1 im Jahr 2001. Diese beiden Lösungen bringen
erfreulich niedrige Gegendrücke und
hohe Russspeicherfähigkeiten
und Kombinationsmöglichkeiten
mit katalytisch beschichteten Strukturen für Oxidation und Entstickung.
Diese Lösungen
konzentrieren sich aber auf eine elektrische Regeneration des Russfilters,
die sehr hohe elektrische Stromstärken und / oder teure und in
der Automobilindustrie offensichtlich unbeliebte technische Einrichtungen
benötigen.
Darüber
hinaus benötigen beide
Lösungen
einen sehr großen
Bauraum, weshalb diese Lösungen
so heute fast keine Chance mehr im Automobilmarkt haben, um für Standardfahrzeuge
in der Erstausrüstung
zum Einsatz zu kommen.
-
Ein anderes Lösungsprinzip, bei dem ebenfalls
gesinterte Metallfeinfasermembranen verwendet werden, sind in den
zwei Offenlegungsschriften
DE 100
26 696 A1 und
DE
101 53 284 A1 beschrieben. Sie stammen aus den Jahren 2000
und 2001. Auch hier handelt es sich um intelligente Lösungen mit
einigen pfiffigen Ideen. Diese Lösungen
sind offensichtlich allen anderen derzeit bekannten Lösungen überlegen,
und zwar durch niedrigen Abgasgegendruck, weiterhin durch prinzipbedingien
Ausschluss von Filterblockaden, die unter bestimmten ungünstigen
Betriebsbedingungen bei den auf Pulversinterung basierenden o.g.
Filterprinzipien entstehen können,
und durch Universalität.
-
Dennoch ist auch das letztgenannte
Lösungsprinzip
noch nicht in allen Aspekten optimal und auch noch nicht universell
genug. Die Filtermembran ist hier als Glattlage in aufgewickelten
Anordnungen von gewellten Metallfolien, wodurch sich Strömungskanäle bilden,
verwendet. Dadurch ergeben sich prinzipbedingt einige Schwächen: Die
spezifischen inneren Oberflächen
der Abgasnachbehandlungsaggregate sind noch nicht groß genug. Auch
die Aggregate als ganzes sind noch nicht kompakt genug und haben
auch noch immer viel Druckverlust bezogen auf die Filterleistung.
Insbesondere störend
ist, dass der aus mehreren Gründen
erwünschte
Querausgleich in der Abgashauptströmung innerhalb des Aggregates,
notwendig insbesondere bei ungleichförmiger Anströmung, trotz
Perforierungen in den gewellten Folien nur mäßig befriedigend gelöst ist.
Nur mäßig intensiv
ist auch die Turbulenzerzeugung in der Abgasströmung innerhalb des Aggregates,
erwünscht
für den
intensiven und häufigen Kontakt
des Abgasstromes mit den inneren Oberflächen, d.h. für die Heranführung der
Russpartikel an die Wände
und für
die Intensivierung der an der Wand durch die Katalysatoren unterstützten chemischen
Reaktionen. Auch ist die Ansprechzeit beim Kaltstart noch weiter
verbesserbar, ebenso wie die universelle Einsetzbarkeit.
-
Die zu lösende Aufgabe
-
Wie die vorstehenden Ausführungen
zeigen, bieten die bekannten Lösungen
zur Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen einen Raum für weitere
Optimierungen. Dabei sind vorrangig die Zusammenhänge zu berücksichtigen,
die sich aus den Unterschieden in den Optimierungszielen bezüglich Fluiddynamik,
Thermodynamik, Mechanodynamik und Chemodynamik ergeben. Dabei ist
ein Lösungsprinzip
zu finden, das für
alle, doch äußerst unterschiedlichen
Anwendungen der Brennkraftmaschinen gleichermaßen einsetzbar ist und dabei
jeweils die effizientesten Varianten auszuführen zulässt. Weiterhin muss es der
Abstimmung mit der Brennkraftmaschine vorbehalten bleiben, welche
DeNOx-Strategie gewählt
wird, und ggf. welche Regenerationsstrategie für zwischengespeicherte Mengen
von Ruß oder Stickoxid.
-
Ganz besonderer Schwerpunkt liegt
auf der höchstmöglichen
Kompaktheit des erfindungsgemäßen Aggregates
zur Kombination von Entrußung, Entstickung
und Nachverbrennung der Abgase. Durch hocheffiziente Erfüllung der
Reinigungsaufgabe muss das Aggregat so klein werden, dass es auch in
einem äußerst beengten
Motorraum noch Platz finden kann, d.h. nicht im Unterflurbereich
platziert werden muss. Bei rohemissionsarmen modernen Motoren ist
dann u.U. sogar die gesamte Abgasnachbehandlung noch vor dem Abgasrückführ-Abzweig
unterzubringen, wodurch entrußtes
Abgas rückgeführt werden
kann und somit eine Reihe Motorenprobleme auf einen Schlag zu lösen sind.
Dazu ist es natürlich für den Motorwirkungsgrad
wichtig, dass im Aggregat weder Druck noch Temperatur wesentlich
abnehmen. Schließlich
ist unter günstigen
Anwendungsfällen
und Randbedingungen durch geeignetes Thermomanagement ein Verzicht
auf aktive Regenerationseinrichtungen denkbar und somit auch Ziel
dieser Erfindung.
-
Somit liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein den vorgenannten Anforderungen besser
als die bekannten Vorrichtungen gerecht werdendes Aggregat zur Reinigung
der Abgase von Brennkraftmaschinen aufzufinden. Es gilt, die hochkomplexen
Wirkmechanismen, ggf. inklusive DeNOx, in einem Kompaktgerät mit optimalen
Thermomanagementmöglichkeiten
zusammenzufassen. Die Herstellung der Einheit aus Brennkraftmaschine +
Nachbehandlung und der Betrieb dieser Einheit müssen letztlich jeweils zu höchster Wirtschaftlichkeit
führen.
-
Die Lösung der
Aufgabe
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Vorrichtung, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist,
nämlich
durch ein Reinigungsaggregat für
Abgase aus Brennkraftmaschinen, mit einer hochporösen Membran
und mit dieser Membran beidseitig zugeordneten hochporösen Stützmatrices,
wobei die Membran zwischen den Stützmatrices mehrfach gefaltet
ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen den von der Membran
gebildeten Falten nahezu vollständig,
insbesondere vollständig,
von den Stützmatrices
ausgefüllt
sind und dass alle drei Strukturkörper (Membran, Stützmatrices)
in allen Raumrichtungen durchströmbar
sind.
-
Anspruch 1 beschreibt somit die elementare, einfachste
Version des kompakten Nachbehandlungsaggregates. Ankommende Rußpartikel
aller Größen, inklusive
der motortypisch kleinsten Partikelgrößen ab ca. 20 μm, können höchst wirkungsvoll aus
dem Abgasstrom herausgefiltert und zwischengespeichert werden, bis
sie durch geeignete Bedingungen nachverbrannt werden. Die sensible
Rußfiltermembran
ist durch die Stützmatrices
so gut geschützt,
dass sie auch in den kritischen Randbereichen über einen sehr langen Zeitraum
den in der Nähe
zum Brennraum auftretenden hohen Strömungsdruckschlägen und
den hohen Temperaturen bis 700°C
und zeitweise sogar bis über
1000°C dauerhaft
standhält.
-
Durch die engest mögliche Faltung
der Membran ist eine kompakte Außenform möglich, sodass das Aggregat
in unmittelbarer Motornähe,
falls gewünscht
sogar vor dem Abzweig zur Abgasrückführung und
gegebenenfalls gehäusemäßig zusammengefasst
mit dem Abgaskrümmer,
positionierbar ist. Dadurch kann die Nachverbrennung des zwischengespeicherten
Rußes über große Bereiche
des Motorkennfeldes passiv erfolgen.
-
Die Abstandshalter zwischen den gefalteten Membranflächen füllen als
hochporöse
Matrices mit Mehrfachfunktionen das Volumen vollständig auf. Nur
aufgrund fertigungstechnischer Optimierungen könnten gegebenenfalls geringfügige Restvolumina im
Aggregat ungenutzt bleiben. Somit gibt es keine nicht Funktionen
erfüllende
Bereiche innerhalb des Aggregates, was das erste Wesensmerkmal der
Erfindung ist.
-
Ein zweites Wesensmerkmal der Erfindung ist
die Tatsache, dass alle drei Strukturkörper, d.h. die Membran und
die zwei Stützmatrices,
in allen Raumrichtungen durchströmbar
sind. Bei Einlaufvorgängen
von Strömungen
aller Art können
innerhalb der zentralen Einheit, obwohl lückenlos aufgefüllt mit
den drei Funktionsstrukturen, durch Überlagerung von Querströmungen senkrecht
zur Hauptströmungsrichtung
vorhandene Druckgefälle
sehr gut ausgenutzt werden. Dadurch wird eine gleichmäßige Ausnutzung
des Membranvolumens ermöglicht.
So können auch
unter ungünstigsten
Anströmbedingungen höchste Filtereffizienzen
und eine weitgehend gleichmäßige Belegung
der Speicherräume
in der Membran erzielt werden.
-
Letzteres wiederum bewirkt beim Rußbrand eine
weitgehend gleichmäßige Temperaturentwicklung,
insbesondere ohne Hotspot-Effekte, was v.a. bei Abbrand nach Abschalten
des Motors wichtig ist. Außerdem
sorgt die gleichmäßige Belegung
der Filtermembran für
einen geringst möglichen
Gegendruck.
-
In dieser Ausführungsform, d.h. durch die hochporöse Struktur
sowohl der Filtermembran als auch der Abstandshalter-Matrices bleibt
auslegungsgemäß der Gegendruck
auf dem geringst möglichen Niveau
von ca. 5 mbar, ansteigend bis ca. 50 mbar bei voll mit Ruß beladenem
Filter. Dieser niedrige Gegendruck korrespondiert bei dieser Erfindung
mit dem geringst möglichen
Bauraumverbrauch. Bereits prinzipbedingt kann keines der geschilderten
anderen Rußrückhalteprinzipien
solche Baugrößen erreichen!
-
Dieser erfindungsgemäße Aufbau
ist das Fundament für
eine Vielzahl von unterschiedlichsten Anwendungsfällen zur
Abgasnachbehandlung bei Brennkraftmaschinen. Weitere vorteilhafte
Prinzipien sind in den Folgeansprüchen niedergelegt.
-
In Anspruch 2 ist dargelegt, dass
die bereits ohnehin vorhandenen drei Strukturkörper weitere Funktionen übernehmen
können,
z.ß. Katalysierung von
chemischen Reaktionen. So kann die stromaufwärts liegende Stützmatrix
als Oxidationskatalysator wirken oder die Filtermembran mit Rußzündhilfe-Katalysatoren
belegt sein. Die stromab von der Membran positionierte zweite Stützmatrix
kann Entstickungsaufgaben schwerpunktmäßig übernehmen, oder ebenfalls als
Oxidationskatalysator wirken.
-
Durch die Integration dieser chemischen Funktionen
in die bereits vorhandene Funktion der Rußfilterung ergeben sich sowohl
in fluiddynamischer bzw. aerodynamischer als auch in thermodynamischer
Hinsicht höchst
erwünschte
Effekte.
-
Zum einen entsteht für die katalytischen Maßnahmen
kein zusätzlicher
Druckverlust, da ein oder zwei zusätzliche Katalysatoren entfallen.
Zum zweiten wird die durch das Abgas eingetragene latente Wärme und
die durch die chemischen Reaktionen freigesetzte Wärme optimal
genutzt. Die Wärmeabgabe
nach außen
an die Umgebung ist zusammen mit der Aggregatsaußenoberfläche minimiert und die verschiedenen,
teilweise komplexen chemischen Prozesse, die alle möglichst
nahe an 500°C
heranreichende Temperaturniveaus für gute Effizienz benötigen, unterstützen sich
gegenseitig. Die hineinströmende
und intern freigesetzte Wärme
erzielt also mehrfachen Nutzen.
-
In den Ansprüchen 3 bis 6 sind die Stützmatrices
festgelegt. Da das Aggregat als Filter und insbesondere als Filterkatalysatorkombination
unterschiedlichste Einsatzfelder und DeNOx-Strategien und Rußfilterstrategien
abdecken muss, wird ein recht breiter Bereich von Ausführungsformen
beansprucht. In Anspruch 3 ist elementar, dass die Stützmatrix
ein Labyrinth mit vielen, relativ dünnen inneren Stegen bzw. Fasern
ist, die sowohl Strömungsdruckpulsationen
als auch motor- und kraftfahrzeugtypischen Erschütterungen dauerhaft standhält. Die
innere Oberfläche
pro Volumen ist groß,
um möglichst viel
Turbulenz entstehen zu lassen. Dadurch wird zum einen die deutlich
empfindlichere Filtermembran geschützt. Zum anderen wird eine
bestmögliche
Vermischung des Abgasstromes und dessen möglichst häufiges Auftreffen auf katalysierende
Partikel erzielt.
-
Bevorzugt sind die Stützmatrices
als Faserlabyrinth ausgeführt,
da sich dabei in dreidimensionaler Sicht Varianten zu gestalterischen
Möglichkeiten
ergeben. So lassen sich bei gleichbleibend großer innerer Oberfläche parallel
und senkrecht zur Vorzugsströmungsrichtung
unterschiedliche Porenweiten einstellen. Über fluiddynamische bzw. aerodynamische
Optimierungsrechenprogramme und entsprechende dreidimensionale Formgebung
können also
weitere Effizienzverbesserungen erzielt werden.
-
Aus aerodynamischen Gründen sind
hohe Porositäten
unabdingbar und höchste
Porositäten
erwünscht.
Das Aggregat muss nur die mechanodynamische Robustheit für z. B.
6000 Betriebsstunden aufweisen. Da trotz dieser hohen Porositäten die
Stege bzw. Fasern der Stützmatrices
genügend
Robustheit ergeben, sind die genannten Mindestporositäten ausreichend.
Unter günstigeren
Bedingungen, z.B. motorfernere Anordnung oder größere Abmessungen der Matrix,
sind auch noch deutlich größere Porositäten bis
zu ca. 95 % ohne weiteres denkbar.
-
In der kompaktesten Version eines
schlichten Rußfilters
können
die Stützmatrices
so weit abmagern, dass die eine nur aus einem Drahtgitter besteht
und die andere nur 1 mm Schichtdicke aufweist. Je nach geometrischer
Ausgestaltung der Membranfaltung ergeben sich bevorzugt Durchströmlängen von
mehreren cm bis ca. 40 cm, je nach Motorgröße und Einsatzfall.
-
Die in Anspruch 6 festgelegten inneren
Stegdurchmesser variieren ebenfalls je nach Einsatzfeld und Auslegungsfall
beträchtlich.
Bevorzugt sind Steg- bzw. Faserdurchmesser von 80 bis 300 μm in Standardanwendungen.
Sie ergeben sich vorrangig aus der Auswahl der Steg- oder Feinfaserdurchmesser
der Filtermembran, da sie dieser einen optimalen Schutz und eine
optimale Abstützung
bieten müssen. Es
kann durchaus sinnvoll sein, dass die stromaufwärts liegende Stützmatrix
einen anderen Aufbau hat als die stromabwärts positionierte.
-
Die in den Ansprüchen 7 bis 10 beschriebene
geometrische Ausgestaltung der Filtermembran ergibt sich vorrangig
aus der geforderten Rußabscheideeffizienz
und den individuellen Wünschen
bezüglich
des Gegendrucks. Die inneren Steg- bzw. Faserdurchmesser der Stützmatrix
sind wegen der Stütz-
und Schutzfunktion allgemein um Faktoren größer als die der Filtermembran.
-
Die Durchströmdicke der Filtermembran ist v.a.
durch die Wahl der Rußfilterregenerationsstrategie
beeinflusst. Entsprechendes gilt für die Porosität. Es ist aus
Untersuchungen an verschiedenen Orten bekannt, dass selbst bei Porositäten von
90 bis 95 %, die für
die Aerodynamik natürlich
hoch erwünscht sind, über das
gesamte motortypische Größenspektrum
von Rußpartikeln
hinweg gute Abscheideraten realisierbar sind.
-
Der ganz besondere Vorteil dieser
höchst
porösen
Feinstrukturfiltermembranen liegt aber darin, dass offensichtlich
die motorabgastypischen, nicht brennbaren Partikel nur in äußerst geringem
Umfang zurückgehalten
werden. Somit akkumulieren solche nicht abbrennbaren Partikel im
diesem Filtertyp nicht sonderlich stark und der Gegendruck des unbeladenen
Filters steigt auch nach 4000 Betriebsstunden nicht merklich an.
Dieses semipermeable Verhalten solcher Filtertypen darf als ganz
besonderer Vorteil gesehen werden, da die Menge der nicht brennbaren Partikel
in Relation zur Rußmenge
selbst dann vemachlässigbar
ist, wenn eine Rußfilterregeneration benutzt
wird, die auf Kraftstoffadditiven beruht. Auch in letzterem Fall
ist die kleine Menge der im Filter nicht zurückgehaltenen Partikel nur unbedeutend
höher,
also bezogen auf die übrigbleibenden,
nicht motorischen verkehrsbedingien Partikelemissionen im Promillebereich.
-
In Anspruch 11 sind Beispiele für die Materialauswahlmöglichkeiten
für Feinfaserfiltermembranen
benannt. Um die zunächst
bevorzugten, an Faserkontaktstellen gesinterten und auf eine gewünschte Durchströmdicke gepresste
Feinfasermembranen mit wirrem Faserlabyrinth und mit Porendurchmessern,
die ein Vielfaches der Faserdurchmesser aufweisen, materialmäßig auszuwählen, ist die
Marktsituation bei den Materiallieferanten zum Herstellzeitpunkt
entscheidend. Aktuell von potenziellen Lieferanten genannte Bezugspreise
werden sich insbesondere durch Massenfertigung recht unterschiedlich
stark reduzieren in Zukunft. Die Marktsituation ist momentan schwer überschaubar
und insbesondere die Kostensenkungspotenziale sind schwer einschätzbar. Der
Membranpreis beeinflusst aber die Herstellkosten maßgeblich.
So ist eine Festlegung der Materialauswahl und des konkreten Fertigungsverfahrens
der Filtermembran nicht möglich heute.
-
In Anspruch 12 und 13 sind zwei Membranfaltungsprinzipien
beschrieben, die zu quaderförmiger
und walzenförmiger
Außenkontur
führen. 1 zeigt hier eine typische
Walzenkontur, 2,3 und 4 je eine Quaderkontur bzw. hier eine
Würfelkontur.
Die zum Schutz beanspruchten Aggregatskonturen sind wegen dem Thermomanagement,
insbesondere für die
chemischen Reaktionen im Aggregat, bevorzugt so kompakt wie möglich, also
im Längs-
und im Querschnitt möglichst
nahe beim Quadrat.
-
An den Umfangsseiten, durch welche
die Abgase führbar
sind, können
nochmals hochporöse
Abdeckschichten angebracht sein. Diese übernehmen im entsprechenden
Auslegungsfall einen Teil der Schutz- und Stützfunktionen der Stützmatrices.
Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn im Auslegungsfall die Stützmatrices
z.B. aus Herstellkostengründen noch
leichter als üblich
ausgeführt
sein sollen.
-
In Anspruch 14 und 15 ist beschrieben,
wie die elementare, zentrale Einheit des Aggregates, bestehend aus
den drei Strukturkörpern
(Membran + zwei Stützmatrices),
durch Einbau in ein Gehäuse
zu einem Komplettaggregat mit Öffnungen
zum Ein- und Ausströmen
des Abgases wird. Beispiele hierfür sind die 1 bis 4.
In allen 4 Figuren ist zu erkennen, dass der Rußfilter etwa in der Mitte oder,
insbesondere bei größeren DeNOx-Aufgaben
für das
Aggregat, bevorzugt stromaufwärts
von der Mitte der Durchström-Gesamtdistanz
platziert ist. Dadurch wird vor allem der Vorteil erzielt, dass
die Produkte aus dem Rußabbrand,
das sind chemisch freigesetzte Wärme und
für die
DeNOx-Aufgabe Reduktionspotenzial aufweisendes Kohlenmonoxid (CO),
stromabwärts noch
gebraucht werden können.
-
4 zeigt
ein Beispiel für
eine 180°-Umlekung
des Hauptabgasstromes. Da die relativ höchsten Temperaturen für den Rußabbrand
benötigt
werden, ist es thermodynamisch sinnvoll, den rußspeichernden Filter direkt
an den Eingang zu setzen und die abströmenden Gase im Mantelraum zu
führen.
-
Der aerodynamische Nachteil der Umlenkung,
das ist der Anstieg des Gegendrucks des Aggregates, wird dadurch
akzeptabel, dass sich durch Faltung des Hauptabgasstromes die Schalldämpfleistung,
die das Aggregat zusätzlich
zu seinen bisher beschriebenen Funktionen erbringt, verbessert.
Je mehr aber die Schalldämpfleistung,
die ohnehin bereits durch die Durchströmung der porösen zentralen
Einheit aus den drei Strukturkörpern
erbracht wird, gesteigert wird, desto mehr kann in dem im Abgassystem
ohnehin noch folgenden Endschalldämpfer des Kraftfahrzeugs beim
Gegendruck eingespart werden.
-
Der durch das Feinfilterkatalysatorkompaktaggregat
(FFKK) verursachte Gegendruck kann also kompensiert werden durch
Einsparungen beim Gegendruck des Schalldämpfers. Diese Kompensation gelingt
voraussichtlich in vollem Umfang, da das erfindungsgemäße Feinfilterkatalysatorkompaktaggregat
(FFKK) wie beschrieben nur ganz geringen Gegendruck verursacht.
Damit erfolgt die Abgasnachbehandlung zum Nulltarif, sprich ohne
Kraftstoffmehrverbrauch.
-
Eine weitere Verbesserung der Schalldämpfung kann
durch gezielte Positionierung von relativ dickwandigen Platten oder
dergleichen an geeigneten Stellen des Aggregates erzielt werden,
wie im Anspruch 17 aufgeführt.
-
Nach Anspruch 17 können solche
relativ dickwandigen Platten oder dergleichen auch weitere Funktionen
im Aggregat übernehmen.
Als mechanodynamische Aufgabe kann z. B. das Eigenschwingungsverhalten
der zentralen Einheit aus den drei hochporösen Strukturkörpern geeignet
beeinflusst werden.
-
Eine dritte Funktion kann dann erzielt
werden, wenn solche dickwandige Platten in Strömungsrichtung etwas stromabwärts in dem
Aggregat platziert werden. Sie helfen dann, die Temperaturen im Aggregat
auf dem für
die chemische Reaktionseffizienz erwünschten Niveau zu halten, wenn
der Motor schwächer
belastet wird. Eine solche Wärmespeicherfähigkeit
ist nämlich
von den hochporösen
drei Strukturkörpern
selbst nicht zu leisten. Vielmehr folgen diese mit ganz geringer
Trägheit
der Abgastemperatur, was ja den Vorteil hat, dass das Aggregat ein bestmögliches
Ansprechverhalten aufweist, insbesondere erwünscht z.B. beim Kaltstart.
-
Zurückspringend auf Anspruch 16
ist noch eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung zu verdeutlichen,
nämlich
die weitgehende Auffüllung der
Räume für Einströmung und
Abströmung,
d.h. der Räume
zwischen dem Mantel des Aggregates und der zentralen Einheit, mit
ebenfalls hochporösem Strukturmaterial.
Damit können
diese verbliebenen Räume
ebenfalls als Funktionsvolumina genutzt werden. So kann durch die
Formgebung dieses Strukturmaterials, das sowohl bezüglich innerer
Strömungswiderstände als
auch bezüglich
Außenkontur
variabel gestaltet werden kann, die Durchströmung der zentralen Einheit
in idealer Weise mittels aerodynamischer Rechenprogramme optimiert
werden, ohne einen sonst üblichen
wesentlichen Anstieg des Gesamtgegendruckes in Kauf nehmen zu müssen. Dadurch
wird eine optimale Ausnutzung der zentralen Einheit sichergestellt,
und zwar im gesamten, um etwa Faktor 5 bei Brennkraftmaschinen typischerweise
variierenden Abgasgeschwindigkeitsbereich. Wie in 2,3 und 4 angedeutet, kommt dieser
Strömungsoptimierung
v.a. bei nicht rotationssymmetrischen Aggregaten, wie es sich bei
Verwendung eines Quaders z. B. ergibt, besondere Bedeutung zu. Hier können beispielsweise
kleine Bereiche komplett von Strukturmaterial freigehalten werden,
um entsprechend kleine Abgasstromwirbel zur Strömungsgegendruckreduzierung
in geeigneten Räumen
zuzulassen. Dadurch ist die Vergleichmäßigung der Durchströmung der
zentralen Einheit aus den 3 Strukturkörpern schon zu größeren Teilen
bereits im Strömungsabschnitt
vor der Einheit erfolgt, was zu einer noch besseren Ausnutzung der
Einheit führt.
Generell ist durch diese Maßnahme der
Einbringung von zusätzlichem
hochporösem
Strukturmaterial in die Ein- und Abströmräume die nahezu ideale Strömungsoptimierung
erst möglich.
-
In Anspruch 18 und 19 werden nochmals weitere
wichtige vorteilhafte Ausführungen
beschrieben, die nicht nur das Thermomanagement verbessern, sondern
im sogar im Bereich des Erreichbaren liegenden Idealfall eine rein
passive Regeneration des Rußfilters
ermöglichen
können.
Wenn diese Stufe erreicht ist, entfallen ein größerer Teil der Herstellkosten
als auch der sonst unvermeidliche Kraftstoffmehrverbrauch für die Energiebereitstellung
zur aktiven Rußfilterregeneration.
-
Das Erreichen dieser Stufe erfolgt
beim FFKK dann aber nicht durch Verzicht auf Filterabscheideleistung
oder durch Zusetzen von Kraftstoffadditiven, wie es dem heutigen
Stand der Technik entspricht. Vielmehr wird diese höchste Stufe
erreicht durch die erfindungsgemäße aerodynamisch
und thermodynamisch optimale Ausführung eines Multifunktionsaggregates.
-
Weitere Vorteile ergeben sich bei
Ausführung
des Aggregatmantels als luftspaltisolierter Doppelmantel (Anspruch
18) dadurch, dass die Innenwand als Wärmespeicher im Sinne von Anspruch
17 Zusatzfunktionen übernehmen
kann und der Außenmantel,
im Mittel auf niedrigerem Temperaturniveau befindlich, weniger der
Außenkorrosion
ausgesetzt ist. Die wärmeisolierende
Außenbeschichtung,
wie in Anspruch 19 genannt, muss ebenfalls nicht mehr so hohen Temperaturen
standhalten. Beide Maßnahmen
gemeinsam können
dazu führen,
dass die Außentemperatur
des wärmeisolierten
Aggregates auch bei Dauervolllastbetrieb den wünschenswerten Bereich von 100°C nicht wesentlich übersteigt
und bei Mittellast nur noch handwarm ist.
-
Die daraus resultierenden, deutlich
höheren Temperaturen
im Inneren des Aggregates erhöhen die
Effizienz sowohl für
die Rußregeneration
als auch für
die Entstickung, egal welches Verfahren und welche Strategie angewendet
werden. Diese Erhöhung der
chemischen Ausbeute wirkt naturgemäß positiv auf den Kraftstoffverbrauch.
-
So sind beispielsweise die Zeitanteile
der Gemischanfettung zur Regeneration eines Stickstoffspeicherkatalysators
mit ansteigender Katalysatoroberflächentemperatur bekanntermaßen stark
verkürzbar.
Auch die selektive katalytische Reduktion (SCR) durch Ammoniak-Systeme
oder durch Kohlenwasserstoffe wird durch höhere Reaktionsumgebungstemperatur
begünstigt,
wie allgemein bekannt. Weiterhin zeigen Entwicklungsarbeiten zu
Simultankatalysatoren für
gleichzeitige Entrußung
und Entstickung, z.B. zu Eisen-Alkalimetall-Mischoxiden als übrigens
erfreulich effiziente Promotoren bei hohen Produktselektivitäten für Stickstoffmoleküle und Kohlenstoffdioxid,
beste Umsätze
bei Reaktionsumgebungstemperaturen zwischen ca. 300°C und 500°C. Bei chemischen
Reaktionsstrategien auf der Basis von über lonengeneratoren bereitgestellten
Radikalen kann die Energie für
die lonenbereitstellung mit Anstieg der Temperatur schließlich auch
reduziert werden.
-
Andererseits können aber auch die Verweilzeiten
des Abgases in den katalysierenden Strukturen aufgrund der temperaturbedingten
Effizienzsteigerung kurz gehalten werden. Das bedeutet, dass das
Volumen des Aggregates klein gehalten werden kann, da geringe Raumgeschwindigkeiten
ausreichen. Hier ist im Einzelfall zu optimieren zwischen zusätzlichem
Energieaufwand für
die Regeneration und den negativen Auswirkungen einer Vergrößerung des
Aggregates.
-
Ein besonderer Vorteil der Erfindung
im chemodynamischen Bereich ist in Anspruch 20 dargelegt. Durch
die Vielzahl von ggf. fünf
verschiedenen hochporösen
Strukturkörpern
des Aggregates mit jeweils großen
inneren Oberflächen
und jeweils turbulenzerzeugenden Labyrinthstrukturen kann auch eine
Vielzahl von chemischen Strategien mit diesem Aggregat realisiert
werden. So können
alle gleichartig z.B. mit einer Mischung aus oxidierenden, Stickoxide
speichernden und reduzierenden Katalysatorpartikeln belegt sein.
Eine ganze Menge interessanter Möglichkeiten
ergibt sich jedoch durch die gezielte Hintereinanderschaltung unterschiedlicher
katalysierenden Materialien oder Materialmischungen, die hier jedoch
nicht aufgezählt
werden sollen.
-
Die in Anspruch 21 aufgeführte elektrische Direktbeheizung
zur Temperaturanhebung im FFKK-Aggregat kommt dann vorrangig zum
Einsatz, wenn ein Eingriff ins Motormanagement nicht stattfinden
soll, z.B. bei Nachrüstmaßnahmen.
-
Fazit
-
Nach allem ist die gestellte Aufgabe
mit dem erfindungsgemäßen Reinigungsaggregat
in einer den bisher gebotenen Stand der Technik erheblich bereichernden
Weise gelöst.
Die offenbarte innovative Abgasnachbehandlungstechnik berücksichtigt
die Notwendigkeit der gleichermaßen fluiddynamischen, thermodynamischen,
mechanodynamischen und chemodynamischen Optimierung. Sie beruht
dabei insbesondere auf dem Einsatz von in allen Raumrichtungen durchströmbaren,
höchstporösen und
faserartigen Strukturen in der jeweils kompaktesten aller Anordnungsmöglichkeiten.
Diese lassen das freie Atmen der "Strömungsmaschine" Verbrennungsmotor zu,
bei gleichzeitig höchst
wirkungsvoller Entgiftung der Verbrennungsabgase.
-
Damit können ohne Mehrverbrauch an
Kraftstoff auch noch die zukünftig
zu erwartenden höchsten
Emissionsanforderungen erfüllt
werden. Schließlich
ist durch Wahl preiswerter Materialien und Herstellverfahren auch
für den
Massenmarkt der nicht hochpreisigen Fahrzeuge Umweltschutz realisierbar. Dadurch
erst wird ein bedeutender Fortschritt in der Atemluftverbesserung
weltweit möglich.